- absorció atòmica
- Transicions i energies electròniques
- espectre visible
- Espectre d'absorció de les molècules
- Blau de metilè
- clorofil·les a i b
- referències
Un espectre d'absorció és aquell producte de la interacció de la llum amb un material o substància en qualsevol dels seus estats físics. Però la definició va més enllà d'una simple llum visible, ja que la interacció comprèn un ampli segment de el ventall de les longituds d'ona i energia de la radiació electromagnètica.
Per tant, alguns sòlids, líquids o gasos, poden absorbir fotons de diferents energies o longituds d'ona; des de la radiació ultraviolada, seguits de la llum visible, fins a la radiació o llum infraroja, escalonant en les longituds d'ones dels microones.
Font: Circe Denyer via PublicDomainPictures
L'ull humà percep només les interaccions de la matèria amb la llum visible. Així mateix, és capaç de contemplar la difracció de la llum blanca a través d'un prisma o un mitjà en els seus components colorits (imatge superior).
Si es "atrapés" el raig de llum després d'haver viatjat a través d'un material, i s'analitzés, es trobaria l'absència de certes bandes de colors; és a dir, s'observaria unes franges negres contrastant amb el seu fons. Aquest és l'espectre d'absorció, i la seva anàlisi és fonamental en la química analítica instrumental i l'astronomia.
absorció atòmica
Font: Almuazi, from Wikimedia Commons
A la imatge superior es mostra un espectre d'absorció típic dels elements o àtoms. Cal notar que les franges negres representen les longituds d'ona absorbides, mentre que les altres són les emeses. Això vol dir que, per contra, un espectre d'emissió atòmica lluiria com una banda negra amb franges de colors emesos.
Però, què són aquestes franges? Com saber comptat i debatut si els àtoms absorbeixen o emeten (sense introduir la fluorescència o fosforescència)? Les respostes recauen en els estats electrònics permesos dels àtoms.
Transicions i energies electròniques
Els electrons són capaços d'allunyar-se el nucli deixant-carregat positivament mentre transiten d'un orbital de menor energia a un de major energia. Per a això, explicat per la física quàntica, absorbeixen fotons d'una energia específica per realitzar aquesta transició electrònica.
Per tant, l'energia està quantitzada, i no absorbiran mig o tres quartes parts d'un fotó, sinó valors de freqüència (ν) o longituds d'ona (λ) concrets.
Un cop excitat l'electró, aquest no roman per temps il·limitat en l'estat electrònic de major energia; allibera l'energia en forma d'un fotó, i l'àtom torna al seu estat basal o original.
Depenent si es registra els fotons absorbits, es tindrà un espectre d'absorció; i si es registra els fotons emesos, llavors el resultat serà un espectre d'emissió.
Aquest fenomen pot observar experimentalment si s'escalfen mostres gasoses o atomitzades d'un element. En l'astronomia, comparant aquests espectres es pot conèixer la composició d'una estrella, i fins i tot, la seva ubicació relativa a la Terra.
espectre visible
Com pot apreciar-se en les primeres dues imatges, l'espectre visible comprèn els colors des del violeta fins al vermell i totes les seves tonalitats respecte a quant absorbeix el material (matisos foscos).
Les longituds d'ona de la llum vermella corresponen a valors de 650 nm en endavant (fins a desaparèixer en la radiació infraroja). I per l'extrem esquerre, el violeta i els tons morats cobreixen els valors de longituds d'ona fins als 450 nm. L'espectre visible llavors abasta des dels 400 fins als 700 nm aproximadament.
A mesura que augmenta λ, disminueix la freqüència de l'fotó, i per tant, la seva energia. Sent així, la llum violeta té major energia (menors longituds d'ona) que la llum vermella (majors longituds d'ona). Per tant, un material que absorbeixi la llum morada implica transicions electròniques de majors energies.
¿I si el material absorbeix el color violeta, quin color reflectirà? Lluirà un color groc verdós, la qual cosa significa que els seus electrons realitzen transicions molt energètiques; mentre que si el material absorbeix el color vermell, de menor energia, reflectirà un color verd blavós.
Quan un àtom és molt estable, generalment presenta estats electrònics molt distants en energia; i per tant, necessitarà absorbir fotons de major energia per a permetre les transicions electròniques:
Font: Gabriel Bolívar
Espectre d'absorció de les molècules
Les molècules tenen àtoms, i aquests absorbeixen també la radiació electromagnètica; però, els seus electrons formen part de l'enllaç químic, pel que els seus transicions són diferents. Un dels grans triomfs de la teoria de l'orbital molecular és el poder relacionar els espectres d'absorció amb l'estructura química.
Així, els enllaços simples, dobles, triples, conjugats, i les estructures aromàtiques, posseeixen els seus propis estats electrònics; i per tant, absorbeixen fotons molt específics.
A l'posseir diversos àtoms, a més de les interaccions intermoleculars, i les vibracions dels seus enllaços (que també absorbeixen energia), els espectres d'absorció de les molècules tenen forma de "muntanyes", les quals indiquen les bandes que comprenen les longituds d'ona on ocorren les transicions electròniques.
Gràcies a aquests espectres pot caracteritzar un compost, identificar-lo, i fins i tot, mitjançant anàlisis multivariants, quantificar-lo.
Blau de metilè
Font: Wnt, from Wikimedia Commons
A la imatge superior es mostra l'espectre de l'indicador blau de metilè. Com el seu nom evidentment assenyala, és de color blau; però, ¿es pot comprovar amb el seu espectre d'absorció?
Cal notar que hi ha bandes entre les longituds d'ona de 200 i 300 nm. Entre 400 i 500 nm gairebé no hi ha absorció, és a dir, no absorbeix els colors violeta, blau, ni verd.
No obstant, presenta una intensa banda d'absorció després dels 600 nm, i per tant, posseeix transicions electròniques de baixa energia que absorbeixen fotons de llum vermella.
En conseqüència, i donat els alts valors de les absortividades molars, el blau de metilè exhibeix un intens color blau.
clorofil·les a i b
Font: Serge Helfrich, from Wikimedia Commons
Com s'aprecia en la imatge, la línia verda correspon a l'espectre d'absorció de la clorofil·la a, mentre que la línia blava correspon a la de la clorofil·la b.
Primerament, s'ha de comparar les bandes on les absortividades molars són més grans; en aquest cas, les que es troben a l'esquerra, entre els 400 i 500 nm. La clorofil·la a absorbeix intensament els colors morats, mentre que la clorofil·la b (línia blava) ho fa amb el color blau.
A l'absorbir la clorofil·la b voltant dels 460 nm, el blau, es reflecteix el color groc. D'altra banda, absorbeix també intensament a prop dels 650 nm, la llum ataronjada, la qual cosa significa que exhibeix el color blau. Si el color groc i blau es barregen, quin és el resultat? El color verd.
I per finalitzar, la clorofil·la a absorbeix el color violeta blavós, ia més, un llum vermell a prop dels 660 nm. Per tant, exhibeix un color verd "suavitzat" pel groc.
referències
- Observatoire de Paris. (Sf). Les diferents classes d'espectres. Recuperat de: media4.obspm.fr
- Campus Universitari de Rabanales. (Sf). Espectrofometría: Espectres d'absorció i quantificació colorimètrica de biomolècules.. Recuperat de: uco.es
- Day, R., & Underwood, A. (1986). Química Analítica Quantitativa (cinquena ed.). PEARSON, Prentice Hall, pàg 461-464.
- Reush W. (sf). Visible and Ultraviolet Spectroscopy. Recuperat de: 2.chemistry.msu.edu
- David Darling. (2016). Absorption Spectrum. Recuperat de: daviddarling.info
- Khan Academy. (2018). Absorption / emission lines. Recuperat de: khanacademy.org